Samenvatting Ioniserende straling HAVO Faculteit Bètawetenschappen Ioniserende Stralen Practicum | ISP Samenvatting Ioniserende straling HAVO

Inhoud 1 Soorten ioniserende straling 2 Radioactief verval 3 Effecten van ioniserende straling 4 Medische beeldvorming 5 Kernenergie ISP | HAVO

1 Soorten ioniserende straling • Atoombouw • Röntgenstraling • Kernstraling • Ioniserend vermogen • Doordringend vermogen • Bronnen • Detectie ISP | HAVO

Atoombouw • kern (protonen en neutronen) en elektronenwolk (elektronen in schillen) • atoomnummer Z: aantal protonen in de kern • massagetal A: aantal nucleonen (of kerndeeltjes: protonen en neutronen) • notatie: • isotopen: hetzelfde aantal protonen (Z) in de kern (dus: hetzelfde element X), maar verschillend aantal neutronen (N) in de kern en dus verschillend massagetal (A = Z + N) ISP | HAVO

Röntgenstraling • bron: röntgenbuis • eigenschappen: ioniserend en doordringend vermogen • soort straling: fotonen (energie groter dan fotonenergie bij licht en uv-straling) ISP | HAVO

Kernstraling • bron: instabiele istopen • eigenschappen: ioniserend en doordringend vermogen • soort straling: instabiele kern verandert in een andere kern onder uitzending van α-, β- of γ-straling • α-straling: heliumkernen ( ) • β-straling: elektronen ( ) • γ-straling: fotonen (energie groter dan fotonenergie bij röntgenstraling) ISP | HAVO

Ioniserend vermogen • bij doordringen van straling in een stof wordt energie afgegeven aan elektronen in de buitenste schillen van de atomen • stralingsdeeltje (bij α- en β-straling) of foton (bij röntgen- en γ-straling) stoot bij botsing een elektron uit het atoom: ionisatie ISP | HAVO

Doordringend vermogen • α- en β-straling: dracht • dracht R: afstand waarover het stralingsdeeltje al zijn energie heeft afgegeven aan het materiaal – hangt af van de soort straling, de energie van het stralings-deeltje en de dichtheid van het materiaal ISP | HAVO

Doordringend vermogen • röntgen- en γ-straling: halveringsdikte • halveringsdikte d1/2: afstand waarover een materiaal de helft van de invallende fotonen heeft geabsor-beerd – hangt af van de fotonenergie en de dichtheid van het materiaal • de intensiteit Id van de doorgelaten straling neemt af met de dikte d van het materiaal: na elke halverings- dikte is de intensiteit een factor 2 kleiner ISP | HAVO

Doordringend vermogen • voor de intensiteit Id van de doorgelaten straling als functie van de dikte d geldt: 𝑰 𝐝 = 𝑰 𝟎 ∙ (½) 𝒏 met 𝒏=𝒅/ 𝒅 𝟏/𝟐 • in deze formule is I0 de intensiteit van de invallende straling • de doorlaatkromme geeft de intensiteit Id als functie van de dikte d ISP | HAVO

Ioniserend en doordringend vermogen soort straling ioniserend vermogen doordringend vermogen • α-straling groot klein • β-straling matig • röntgenstraling • γ-straling ISP | HAVO

Bronnen natuurlijke stralingsbronnen: achtergrondstraling • kosmos • bodem, water en lucht > voedsel en bouwmaterialen kunstmatige stralingsbronnen • medische toepassingen: diagnose en therapie • kernreactoren, opslagplaatsen van radioactief afval • deeltjesversnellers • consumentenproducten zoals rookmelders • fall-out door nucleaire rampen en kernbomproeven ISP | HAVO

Detectie Geiger-Müller telbuis • vooral gevoelig voor β- deeltjes • deeltje veroorzaakt ionisatie van gasatomen in de telbuis • de vrijgemaakte elektronen leveren een spannings-puls • elektronische teller telt het aantal pulsen ISP | HAVO

Detectie Dosismeter • bevat materiaal dat de energie van de invallende straling absorbeert • vroeger een fotografische film – na ontwikkelen bepaalt de zwarting de dosis • tegenwoordig thermoluminescentie – straling brengt atomen in aangeslagen toestand, na verhitting komt energie vrij in de vorm van licht: de lichtintensiteit bepaalt de dosis. • uitvoering als badge ISP | HAVO

2 Radioactief verval • Halveringstijd • Activiteit • Vervalvergelijking ISP | HAVO

Halveringstijd • bij radioactief verval verandert een instabiele kern in een andere kern onder uitzending van α-, β- of γ-straling • de halveringstijd t1/2 is de tijd waarin de helft van het aanwezige aantal instabiele kernen vervalt • het aantal aanwezige instabiele kernen Nt neemt af in de loop van de tijd t: na elke halveringstijd is het aantal instabiele kernen een factor 2 kleiner • voor het aantal instabiele kernen Nt in de loop van de tijd t geldt: 𝑵 𝐭 = 𝑵 𝟎 ∙ (½) 𝒏 met 𝒏=𝒕/ 𝒕 𝟏/𝟐 ISP | HAVO

Activiteit • de activiteit A is het aantal vervallende kernen per seconde • eenheid: becquerel (Bq) • de activiteit At neemt af in de loop van de tijd t: na elke halveringstijd is de activiteit een factor 2 kleiner • de vervalkromme geeft de activiteit At als functie van de tijd t ISP | HAVO

Activiteit • voor de activiteit At van een radioactieve bron in de loop van de tijd t geldt: 𝑨 𝐭 = 𝑨 𝟎 ∙ (½) 𝒏 met 𝒏=𝒕/ 𝒕 𝟏/𝟐 • in deze formule is A0 de activiteit op het tijdstip t = 0 s ISP | HAVO

Activiteit • de activiteit At van een radioactieve bron op het tijdstip t is de helling van de raaklijn op dat tijdstip in het N,t-diagram: 𝑨 𝐭 =− ( Δ𝑵 Δ𝒕 ) 𝐫𝐚𝐚𝐤𝐥𝐢𝐣𝐧 • voor de gemiddelde activiteit Agem over een periode Δt geldt: 𝑨 𝐠𝐞𝐦 =− Δ𝑵 Δ𝒕 N0 Nt ISP | HAVO

Vervalvergelijking X He Y • α-verval: • het α-deeltje is een heliumkern • behoudsprincipes: massagetal: A = (A – 4) + 4 atoomnummer: Z = (Z – 2) + 2 A Z X A-4 Z-2 Y He 4 2 ISP | HAVO

Vervalvergelijking X β Y • β-verval: • het β-deeltje is een elektron • behoudsprincipes: massagetal: A = A + 0 atoomnummer: Z = (Z + 1) – 1 • bij β-verval vervalt een neutron in de kern tot een proton en een elektron: • het elektron wordt door de kern uitgestoten A Z X Z+1 Y β ISP | HAVO

Vervalvergelijking Y γ • γ-verval: • het γ-deeltje is een foton Am Z Y A γ • γ-verval: • het γ-deeltje is een foton • na α- of β-verval bezit de kern vaak nog teveel energie: de kern bevindt zich in een aangeslagen toestand (aangegeven door de letter m achter het massagetal) • de kern raakt deze energie kwijt door het uitzenden van een γ-foton • γ-straling wordt dus uitgezonden in combinatie met α- of β-straling ISP | HAVO

3 Effecten van ioniserende straling • Bron – straling – ontvanger • Bestraling en besmetting • Dosis en equivalente dosis • Beschermingsmaatregelen • Afwegen van risico’s ISP | HAVO

Bron – straling – ontvanger • schema: ioniserende straling bron ontvanger besmetting radioactiviteit bestraling radioactieve stof radioactief verval activiteit halveringstijd soorten straling ioniserend vermogen doordringend vermogen dosis equivalente dosis absorptie halveringsdikte ISP | HAVO

Bestraling en besmetting • bij bestraling absorbeert een ontvanger straling ‘van buitenaf’: uitwendige bestraling • bij besmetting heeft een ontvanger zelf radioactieve stoffen binnengekregen (op of in het lichaam) en ontvangt daardoor straling ‘van binnenuit’: inwendige bestraling ioniserende straling bron ontvanger besmetting radioactiviteit bestraling ISP | HAVO

Dosis en equivalente dosis • de dosis D is de geabsorbeerde stralingsenergie per kilogram van het absorberende materiaal: 𝑫= 𝑬 𝐬𝐭𝐫 𝒎 • eenheid: gray (Gy) (1 Gy = 1J/kg) • de equivalente dosis H is de dosis, gecorrigeerd voor het biologisch effect (of de aangerichte schade) van de verschillende soorten straling: 𝑯= 𝒘 𝐑 ∙𝑫 • eenheid: sievert (Sv) • weegfactor: wR,α = 20 en wR,β,γ,rö = 1 ISP | HAVO

Dosis en equivalente dosis rekenvoorbeeld • lichaamsweefsel met een massa van 5 kg absorbeert bij bestraling met α-straling 0,05 J stralingsenergie • dosis: 𝑫= 𝑬 𝐬𝐭𝐫 𝒎 = 𝟎,𝟎𝟓 𝟓 =𝟎,𝟎𝟏 𝐆𝐲 • equivalente dosis: 𝑯= 𝒘 𝐑 ∙𝑫=𝟐𝟎∙𝟎,𝟎𝟏=𝟎,𝟐 𝐒𝐯 ISP | HAVO

Beschermingsmaatregelen • de jaarlijkse equivalente dosis van zo’n 2 mSv als gevolg van de natuurlijke achtergrondstraling is onontkoombaar • de ontvangen extra dosis moet zo laag mogelijk zijn en onder de dosislimiet blijven • er zijn drie mogelijkheden om het stralingsrisico voor stralingswerkers te beperken: • verkorten van de tijd dat de stralingswerker met de bron bezig is • afscherming van de bron • vergroten van de afstand tot de bron ISP | HAVO

Afwegen van risico’s • toepassingen moeten gerechtvaardigd zijn • de ontvangen stralingsdosis moet zo laag mogelijk zijn en onder de dosislimiet blijven • bij medisch diagnostische stralingstoepassingen steeds nagaan of er alternatieven zijn (zoals MRI of echoscopie) • voor medisch therapeutische stralingstoepassingen (bestraling) geldt een andere afweging: het risico van niet behandelen tegenover het risico van de stralingsdosis • deze stralingsdosis valt niet onder de dosislimiet ISP | HAVO

4 Medische beeldvorming • Beeldvormingstechnieken • Stralingsdosis ISP | HAVO

Beeldvormingstechnieken • ioniserende straling röntgenfotografie computertomografie (CT) nucleaire diagnostiek • geluidsgolven echografie • radiogolven magnetic resonance imaging (MRI) absorptie en transmissie van röntgenstraling uitzenden van γ-straling door tracer bij radioactief verval terugkaatsen van ultrasone geluidsgolven uitzenden van radiogolven door waterstofkernen in een magnetisch veld ISP | HAVO

Stralingsdosis • ioniserende straling röntgenfotografie computertomografie (CT) nucleaire diagnostiek • geluidsgolven echografie • radiogolven magnetic resonance imaging (MRI) klein 0,1 mSv groot 10 mSv matig 5 mSv geen ISP | HAVO

5 Kernenergie • Kernsplijting • Kernsplijtingsenergie • Kettingreactie • Kernreactor • Splijtstofstaven • Moderator • Regelstaven • Splijtstofcyclus • Kernafval • Veiligheidsaspecten • Milieuaspecten ISP | HAVO

Kernsplijting • bij beschieting met neutronen kan een zware atoomkern splijten • een voorbeeld is de splijting van de uraniumisotoop U-235: • de splijtingsproducten zijn instabiel en vervallen onder uitzenden van α-, β- en/of γ-straling ISP | HAVO

Kernsplijtingsenergie • bij kernsplijting is sprake van een massadefect: de totale massa van de kernen en losse kerndeeltjes is na de splijting kleiner dan voor de splijting • de ‘verdwenen’ massa – of: het massadefect m – is bij de splijting volgens de equivalentie van massa en energie omgezet in energie: 𝑬=𝒎∙ 𝒄 𝟐 • deze energie komt vrij in de vorm van kinetische energie van de splijtingsproducten • het massadefect m is te berekenen uit de atoom-massa’s en de atomaire massa-eenheid u ISP | HAVO

Kernsplijtingsenergie rekenvoorbeeld • splijtingsreactie: • voor splijting na splijting • massadefect: m = 0,198·u = 0,198·1,66·10–27 = 3,29·10–28 kg isotoop massa 235,044·u 139,921·u 93,915·u 1,008·u 2,017·u totaal 236,052·u 235,854·u ISP | HAVO

Kernsplijtingsenergie rekenvoorbeeld (vervolg) • massadefect: m = 0,198·u = 0,198·1,66·10–27 = 3,29·10–28 kg • energie: E = m·c2 = 3,29·10–28·(3,00·108)2 = 2,96·10–11 J • energie in elektronvolt (eV): 1 eV = 1,60·10–19 J  1 J = 1/1,60·10–19 = 6,25·1018 eV E = 2,96·10–11·6,25·1018 = 1,85·108 eV = 185 MeV • bij de splijting van U-235 in Xe-140 en Sr-94 komt dus 185 MeV energie vrij ISP | HAVO

Kettingreactie • bij de splijting van U-235 ontstaan twee of drie vrije neutronen • deze vrije neutronen kunnen op hun beurt weer nieuwe uraniumkernen splijten: zo ontstaat een kettingreactie ISP | HAVO

Kernreactor • in een kernreactor is sprake van een gecontroleerde kettingreactie van kernsplijtingen om energie vrij te maken: elke kernsplijting veroorzaakt één volgende kernsplijting • de energie wordt gebruikt om stoom te maken • de stoom drijft een turbine/ generator-combinatie aan • de kerncentrale levert elek- trische energie ISP | HAVO

Splijtstofstaven • in de kernreactor zit de splijtstof (U-235) in splijtstof-staven • natuurlijk uranium bestaat vooral uit U-238 en slechts voor 0,7% uit het splijtbare U-235 • voor het kernsplijtingsproces is verrijkt uranium met 3 tot 5% U-235 nodig • uit het U-238 in de splijtstofstaven ontstaat plutonium (Pu-239) door absorptie van neutronen: ISP | HAVO

Moderator • voor splijting van een uraniumkern is een langzaam neutron nodig • de neutronen die ontstaan bij splijting van een uraniumkern hebben een grote snelheid • om deze neutronen zodanig af te remmen dat ze een nieuwe uraniumkern kunnen splijten – en zo de kettingreactie in stand kunnen houden – is een moderator nodig • in een kerncentrale is de moderator meestal water ISP | HAVO

Regelstaven • de kettingreactie van kernsplijtingen wordt onder controle gehouden met regelstaven • deze regelstaven bestaan uit een materiaal dat neutronen absorbeert zonder dat er verdere reacties optreden: boor of cadmium • in een kritische reactor veroorzaakt precies één van de bij splijting vrijkomende neutronen een nieuwe splijtingsreactie • de kernreactor levert dan een constant vermogen ISP | HAVO

Splijtstofcyclus • schema: uranium- winning verrijking productie splijtstofstaven kerncentrale opwerking radioactief afval ISP | HAVO

Kernafval • in een kerncentrale, maar ook in ziekenhuizen en onderzoekscentra wordt kernafval geproduceerd • laag- en middelradioactief afval zoals kleding, papier, water- en luchtfilters wordt in Nederland boven-gronds opgeslagen bij de COVRA • hoogradioactief kernsplijtingsafval gaat vanuit Nederland naar Frankrijk voor opwerking • bij opwerking wordt het overgebleven uranium en het gevormde plutonium uit het kernsplijtingsafval gehaald voor hergebruik als splijtstof ISP | HAVO

Veiligheidsaspecten • in een Nederlandse kerncentrale wordt zorgvuldig gelet op de veiligheid door: • ontwerp van de centrale met veiligheidsomhulling • correct onderhoud van de centrale • regels en procedures bij het werken met de centrale • toezicht van de overheid op naleving van de regels ISP | HAVO

Milieuaspecten • bij normaal functioneren levert een kerncentrale een extra stralingsdosis van niet meer dan 10 μSv per jaar per persoon • een kerncentrale van 1000 MW verbruikt per dag 3,2 kg uranium, een kolencentrale heeft voor eenzelfde energieproductie 10.600 ton steenkool nodig • de voorraden splijtstof (uranium) en fossiele brand-stof (aardgas, aardolie en steenkool) zijn eindig • een thermische centrale (op fossiele brandstof) draagt bij aan versterking van het broeikaseffect, een kerncentrale levert hoogradioactief kernsplijtings-afval ISP | HAVO

Informatie • onder achtergrondinformatie op het leerlingendeel van deze website staat aanvullende informatie over onder andere de eigenschappen, de effecten en de toepassingen van ioniserende straling ISP | HAVO